四川盆地泸州地区海相页岩天然裂缝特征及主控因素

Characteristics and Main Controlling Factors of Natural Fractures in Marine Shale in Luzhou Area, Sichuan Basin

摘要

天然裂缝的特征是评价页岩气富集和保存规律中重要的地质指标.以四川盆地南部泸州地区上奥陶统五峰组‒下志留统龙马溪组页岩为研究对象，基于地震、测井、岩心、薄片、扫描电镜及分析化验资料，深入开展了天然裂缝成因类型、发育特征和主控因素的研究.结果表明：泸州地区五峰组‒龙马溪组页岩裂缝按照地质成因可分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝3种类型，构造裂缝按照裂缝的力学性质和与岩石力学层的关系细分为穿层剪切裂缝、顺层剪切裂缝和层内张开裂缝，成岩裂缝分为页理缝和收缩裂缝.泸州地区构造裂缝和页理缝大量发育，收缩裂缝和异常高压裂缝发育程度较低.构造裂缝的分布和发育程度受到断层、褶皱、岩石力学层和脆性的控制，页理缝的发育主要受脆性、有机质含量和纹层的控制.

关键词

天然裂缝 / 成因类型 / 发育特征 / 主控因素 / 五峰组‒龙马溪组 / 四川盆地 / 石油地质学

Key words

natural fracture / genetic type / development characteristic / main controlling factor / Wufeng Formation-Longmaxi Formation / Sichuan Basin / petroleum geology

0 引言

北美等地区页岩气取得重大勘探成功并掀起页岩气高潮后，自2012年以来，我国先后建立了涪陵、长宁‒威远和昭通3个国家级页岩示范区，在上奥陶统五峰组‒下志留统龙马溪组中浅层取得了较好的效益开发（马新华和谢军，2018）.根据中石油资源评价，四川盆地南部深层页岩气占埋深4 500 m以浅页岩气资源总量的80%以上（杨洪志等，2019），泸州地区页岩气资源丰度为8.13×10⁸ m³/km²，为川南地区的最大值（马新华等，2020）.2018年以来，中国石油对泸州地区埋深介于3 500~4 500 m的深层页岩开展持续攻关，并在垂深3 890 m的LU203井获得高工业气流，其测试产气量达138×10⁴ m³/d，是国内首口日产气量突破百万方的深层页岩气井，显示出泸州地区深层页岩气的巨大资源潜力（邹才能等，2021）.

页岩是一种低孔低渗（孔隙度小于8%，渗透率小于10 nD）（Ougier-Simonin et al.， 2016） 的岩性介质，页岩气以游离态、吸附态和溶解态赋存于页岩中，其中游离气和溶解气主要分布于裂缝以及孔隙中，吸附气主要分布在有机质和粘土矿物表面（张金川等，2003）.天然裂缝在这类自生自储的非常规储层中对油气的富集和散失起到了关键作用.四川盆地南部泸州地区受到多期次、多方位的构造应力作用，不同类型的天然裂缝广泛发育.大量研究表明，复杂的裂缝系统对页岩气的高产起到关键作用，一方面天然裂缝是页岩中流体活动的重要渗流通道，可有效促进页岩气的解吸、扩散、富集和散失等作用（Curtis， 2002；张金川等，2003；岳锋等，2015；朱维耀和马东旭，2018）；另一方面，水力压裂缝沿天然裂缝扩展延伸，与天然裂缝形成的复杂缝网是促进页岩储层体积改造的关键（Gale et al.， 2014；Zeng et al.， 2016；朱利锋等，2016；Gong et al.， 2021）.因此，评价页岩气富集和保存条件时，往往需要考虑天然裂缝这一地质指标.本文以上奥陶统五峰组‒下志留统龙马溪组深层页岩为研究对象，通过三维地震、岩心观察、测井、薄片、扫描电镜和分析化验资料，深入开展泸州地区不同类型天然裂缝发育特征和主控因素研究，以期为页岩气的勘探和开发提供依据.

1 区域地质背景

四川盆地位于中国西南部，是一个由海相克拉通盆地与陆相前陆盆地组成的大型叠合盆地（刘树根等，2008）.泸州地区位于四川盆地东南部的低陡褶皱带，受到3套滑脱层的控制，即中‒下寒武统膏盐岩、龙马溪组泥页岩和下三叠统嘉陵江组膏盐岩，呈现出NNE-SSW向宽缓的向斜与窄陡的背斜相间并列的隔挡式褶皱形态，自北向南埋深增加.川南地区经历了4个关键构造阶段（郭卫星等，2021）：（1）志留纪末的加里东运动引起研究区内泥盆系和石炭系的缺失；（2）燕山早期，雪峰山自北西向挤压，N-E向构造开始发育；（3）燕山晚期，受大娄山自南北向挤压，E-W向构造开始发育；（4）喜马拉雅期，青藏高原向东扩展，泸州地区东部形成近S-N向构造.研究区五峰组‒龙马溪组一级断层发育较少（断距大于300 m，断至地表），二级断层（向上断开二叠系或三叠系）仅分布在窄陡背斜高部位，三级和四级断层分布于宽缓向斜，规模较小，断距介于10~50 m，未断穿龙马溪组.五峰组‒龙马溪组最大埋深超过6 000 m，现今埋深主要介于3 500~4 500 m，整体上研究区调整改造幅度较弱，大规模抬升时间较晚（梁霄等，2021；吴娟等，2022），页岩系统封闭性较好（柳卓等，2021），储层的现今压力系数为2.1~2.5.

五峰组下部为黑色页岩，上部为薄层泥灰岩，富含大量赫南特贝动物群化石.龙马溪组沉积于奥陶纪冰期结束后的早志留世鲁丹期‒埃隆期（朱逸青等，2021）（距今约 439~444 Ma）.泸州地区位于川南龙马溪组的沉积中心（杨洪志等，2019），龙马溪组大面积连续分布，厚度为500~600 m.龙马溪组自下而上分为龙一段和龙二段，高含气量页岩位于龙一段Ⅰ亚段，厚度为20~70 m，自下而上由硅质或钙质页岩向粘土质页岩过渡.无机微量元素显示，其U/Th 比值介于1.5~2.0，V/Cr介于4.5~10.7，Re/Mo介于0.1~0.63，表明沉积环境是远离陆源的强还原厌氧环境（马新华等，2020），含大量生物成因硅（赵建华等，2016），石英和碳酸盐矿物的含量大于65%，TOC>2.5 %，干酪根类型为Ⅰ型（张素荣等，2021），有机质成熟度R _o>2.1%，普遍处于原油裂解的高‒过成熟生干气阶段.总的来说，泸州地区五峰组‒龙马溪组页岩是一套广泛发育天然裂缝，有机质丰富、含大量的生物笔石，具有薄层斑脱岩和黄铁矿条带的页岩层系.

2 天然裂缝的成因类型与发育特征

对泸州地区12口取心井开展岩心裂缝精细描述发现，泸州地区五峰组‒龙马溪组岩心裂缝包括构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝（Zeng et al.， 2016）.按照裂缝的力学性质和与岩石力学层的关系，将构造裂缝分为穿层剪切裂缝、层内张开裂缝和顺层剪切裂缝.成岩裂缝分为页理缝和收缩裂缝.研究区五峰组‒龙马溪组海相页岩以构造裂缝为主，成岩裂缝次之，异常高压裂缝发育程度较低.

穿层剪切裂缝是在构造应力作用下发生剪破裂形成的裂缝.裂缝产状通常与页岩纹层面近垂直或斜交（图2a），缝面规则，裂缝延伸长度从几米至几十米，可见明显的组系（图2b），发育在高脆性矿物含量的页岩中.穿层剪切裂缝切穿多套岩石力学层，受岩性界面的控制.

层内张开裂缝是页岩在压应力背景下沿最小主应力方向扩张形成的裂缝.裂缝产状与纹层面垂直，具有等间距平行分布的特点（图2c），其裂缝面平整，延伸长度通常小于20 cm，密度较大.层内张开裂缝被限制在单一岩石力学层内，受黄铁矿或斑脱岩界面的控制.

顺层剪切裂缝又称顺层滑脱裂缝，是在水平挤压或伸展应力背景下由于岩石形变量不同（曾联波和肖淑蓉，1999），从而在岩石力学薄弱面发生相对滑动形成的裂缝.顺层剪切裂缝的产状与层面平行或低角度相交，裂缝面可见大量擦痕和矿物生长线理（图2d），具有平整光滑的镜面特征，常被方解石和黄铁矿充填（图2e）.龙马溪组一段Ⅰ亚段在斑脱岩和黄铁矿条带与页岩的接触面易发生滑脱形成顺层剪切裂缝.一般随地层倾角增大，顺层剪切裂缝的规模和发育程度均会增大（Zeng et al.， 2016）.

成岩裂缝主要包括收缩裂缝和页理缝.收缩裂缝是页岩在成岩过程中，沉积物发生了一系列脱水、收缩、相变或重结晶等物理化学作用形成的（Nelson， 1985），表现为延伸距离较远（图2f），开度变化较大（图3a），通常被方解石全充填.页理缝是指平行或近似平行纹层方向破裂形成的裂缝（图2g），其形成受到多种地质作用的控制，成岩早期的机械压实作用和晚期的有机质生烃作用是控制页理缝发育的主要因素.在机械压实过程中，页岩中主要矿物通常呈水平纹层状分布，由于不同矿物的抗压能力不同，导致纹层界面易形成页理缝.此外富有机质页岩进入生烃高峰期时，页岩中会形成局部的异常流体超压，流体向上的渗流力会抵消部分的重力载荷导致页岩垂向有效应力减小（Cobbold and Rodrigues， 2007）；有机质演化过程中排出的大量有机酸会溶解方解石或者白云石等矿物颗粒，导致纹层薄弱面更易张开形成页理缝.页理缝的形态表现为与纹层面平行、分支、弯曲的特点（图3b），横向连续性较差，规模较小，岩心和薄片显示页理缝延伸长度介于100 µm~2 cm，裂缝开度介于10~ 50 µm，常被方解石和有机质充填（图3c）.页理缝的发育提高了页岩的孔隙度和水平渗流能力（Xu et al.， 2021），对后期复杂压裂缝网的形成具有重要作用.

异常高压裂缝是孔隙流体压力超过岩石破裂压力时形成的裂缝，其产状与纹层面呈高角度或平行，都具有典型的拉张特征.异常高压裂缝的产状一般与纹层面垂直，缝面不规则，延伸长度较短，开度较小，通常被方解石和沥青充填（图2h和图3d）.此外富有机质页岩中广泛发育一种顺层脉状裂缝（图2i），其被黄铁矿或者纤维状方解石全充填（图3e），脉体宽度大于1 mm，纤维状方解石脉中盐水包裹体记录的超压程度接近甚至超过岩石的静岩压力（Wang et al.， 2020）.异常高压裂缝可以作为含油气盆地中油气超高压排烃和油气初次运移的标志（李荣西等，2013）.

扫描电镜显示了五峰组‒龙马溪组页岩发育大量纳米级到微米级的裂缝，构造微裂缝主要分布在矿物晶体之间和晶体内部；溶蚀微裂缝主要分布在矿物晶体与有机质之间.构造微裂缝分为粒间缝和粒内缝.粒间缝分布于矿物晶体之间，通常与矿物的定向排列方向相同，是受到晚期构造运动导致矿物晶体发生形变和相互错动形成的裂缝（图4a）.粒内缝通常分布于解理矿物中，由构造应力下矿物晶格发生错位或者断裂形成（图4b）.溶蚀微裂缝是有机质热演化过程中排出的大量有机酸引起碳酸盐矿物溶解形成的裂缝（图4c）.微观尺度下裂缝网络与有机孔的沟通，促进了有机质中页岩气的扩散，有利于页岩的富集.

通过精细观察泸州地区12口取心井的岩心、薄片和扫描电镜资料，对五峰组‒龙一段Ⅰ亚段页岩的天然裂缝特征进行了定量统计与分析.泸州地区构造裂缝以层内张开裂缝为主，裂缝密度为3.63条/m，顺层剪切裂缝次之，裂缝密度为1.00条/m，穿层剪切裂缝发育程度较低，裂缝密度为0.45条/m（图5a）.龙马溪组一段Ⅰ亚段自下而上页理缝发育程度降低，1小层页理缝最发育，裂缝密度为5.8 cm/cm²，4小层页理缝发育程度最低，裂缝密度为 0.25 cm/cm².其中构造裂缝以斜交裂缝为主，占比为50%，低角度裂缝和高角度裂缝占比分别为26%和24%（图5b），岩心上裂缝延伸长度小于20 cm的占比为87.5%（图5c）.总体上研究区构造裂缝主要为层内张开裂缝，延伸距离较短，裂缝密度较大.非构造裂缝以页理缝为主，收缩裂缝和异常高压裂缝占比很小.不同成因类型的裂缝相互贯穿（图3f），微纳米级别的裂缝与有机孔相互沟通，形成了多尺度复杂的孔缝网络系统.

3 天然裂缝发育的主控因素

五峰组‒龙马溪组广泛分布不同成因类型的天然裂缝，受到地质历史时期中众多因素的控制.研究区主要发育的裂缝为构造裂缝和页理缝，构造裂缝的形成和分布主要受到构造、岩石力学层和页岩脆性的影响，其中断层和褶皱是最主要的控制因素.页理缝的发育主要受到页岩脆性、有机质含量和纹层的控制.

3.1　构造

构造主要影响页岩构造裂缝的形成与分布.影响构造裂缝发育的构造因素主要是断层和褶皱作用.构造应力强度的差异分布是构造控制裂缝的本质原因，在应力集中部位，构造裂缝的发育程度高.通过三维地震资料，提取并优选了裂缝的敏感地震方差属性，方差属性通常检测构造不连续性的程度，因此通常用来评估断层及其相关裂缝的发育强度.将方差属性值类比于构造裂缝发育强度，方差值介于0~1，方差值越大，裂缝发育强度越高.在断层相关裂缝发育带中，上盘构造裂缝发育强度和范围均高于下盘，整体呈现出离断层核距离增加，构造裂缝发育强度降低（图6a）；褶皱核部构造裂缝发育程度高于两翼，离核部越远，构造裂缝发育程度降低（图6b）.由于断层上盘为活动盘，其变形程度高于下盘，导致上盘构造裂缝的密度和发育范围强于下盘.

断层的规模影响了穿层剪切裂缝和层内张开裂缝的发育程度.对泸州地区五峰组‒龙马溪组一段I亚段取心井精细裂缝的统计表明，ZI216井距二级断层1.1 km，穿层剪切裂缝密度为2.5条/m，层内张开裂缝密度为2.2条/m； LU206井周围三级和四级断层密集发育，距二级断层5.4 km，穿层剪切裂缝密度为0.2条/m，层内张开裂缝密度为4.5条/m.越靠近大规模的断层，构造应力越大，越容易形成切穿多套岩石力学层的大尺度裂缝（曾联波等，2020）.一级和二级断层周围穿层剪切裂缝发育程度较高，离断层距离越远，穿层剪切裂缝的发育程度降低.三级和四级断层周围层内张开裂缝较为发育.

3.2　岩石力学层

岩石力学界面控制了层内张开裂缝的形态，岩石力学层厚度控制了层内张开裂缝的发育程度.岩石力学层是指一套力学行为相近的页岩层系（巩磊等，2018）.层内张开裂缝被限制在单一岩石力学层中（图2c），产状垂直于层面，等间距平行分布.在岩心上可根据斑脱岩或黄铁矿条带界面之间的距离来判断岩石力学层的厚度，对12口取心井的精细裂缝描述和统计表明在一定范围内，层内张开裂缝的密度与层厚具有较好的负相关性（图7）.层厚越大，层内张开裂缝的密度越小.而穿层剪切裂缝主要受构造强度的控制，受岩石力学层厚度影响作用较小（Zeng et al.， 2016）.

3.3　页岩脆性

页岩脆性影响构造裂缝和页理缝的发育程度，在相同的构造应力下，页岩脆性越强，构造裂缝和页理缝的发育程度越高.岩石的脆性是岩石发生破裂前瞬态变化的难易程度，是岩石的一种固有属性，通常用脆性指数BI进行定量表征（曹东升等，2021）.矿物组分是影响岩石力学性质的内因，X衍射全岩分析显示，LU206井页岩的主要矿物为石英（平均含量49%）、碳酸盐（平均含量21%）和粘土矿物（平均含量22%），次要矿物为斜长石（平均含量5%）和黄铁矿（平均含量3%）.通常脆性矿物包括石英、碳酸盐矿物、长石和黄铁矿.基于ECS测井资料，采用矿物组分法（赖锦等，2016）计算脆性指数BI（图8），显示脆性矿物含量越高，页岩脆性越强，粘土含量越高，页岩塑性越强.页岩脆性越强，越容易发生脆性破裂形成构造裂缝.五峰组‒龙一段Ⅰ亚段构造裂缝统计数据和页岩脆性计算表明，构造裂缝密度与脆性指数之间显示良好的正相关关系（图9）.纵向上页岩的力学性质具有极高的非均质性，垂直纹层与平行纹层方向上页岩的抗张强度比为1/4（Schmidt， 1977），因此在机械压实过程中，高脆性页岩更易沿纹层面发生破裂形成页理缝（田鹤等，2020）.

在相同的构造应力作用下，富含石英和碳酸盐矿物的页岩容易发生破裂形成构造裂缝.综合LU206井岩相类型（王玉满等，2016）表明（表1），富有机质硅质页岩中脆性指数大于70%，裂缝发育程度较高，以构造裂缝和页理缝为主，微裂缝发育.对于粘土含量较高的含有机质硅质页岩和含有机质粘土质硅质混合页岩，构造裂缝发育程度有限，局部发育少量页理缝，微裂缝发育程度较低.

3.4　有机质含量

有机质含量同时影响构造裂缝和页理缝的发育程度，有机质含量越高，构造裂缝和页理缝的发育程度越高.五峰组‒龙马溪组一段Ⅰ亚段页岩中硅质主要为生物成因，可见大量硅质放射虫（图3f），显示了沉积阶段温暖潮湿的环境，有利于浮游生物的大量繁殖，提高了初级生产力，且厌氧‒缺氧的环境促进了有机质的保存，因此生物成因硅的含量与有机质含量具有较好的正相关性（孙川翔等，2019）.岩心观察表明，随着有机质含量增大，构造裂缝发育程度越高（图10a）.

有机质含量有机质在埋藏升温过程中会产生大量烃类，泸州地区龙马溪组页岩热演化程度较高，R _o介于2.0%~3.5%，已经进入有机质生烃的后期阶段.研究区主要的生气高峰期位于白垩纪，此时页岩生烃量远大于排烃量，在页岩低孔低渗的封闭空间中，会在局部层段形成异常流体压力，引起垂向有效应力减小（Xu et al.， 2021）.同时，由于有机质的抗张强度远小于基质矿物，页理缝优先在水平条带状有机质周围或者有机质‒矿物界面处开始发育（Vernik， 1994），因此页理缝密集段主要分布在有机质含量较高的1小层和2小层（图3c）.薄片观察和总有机碳分析表明，一般贫有机质页岩 TOC<2.0%，页理缝不发育，含有机质页岩和富有机质页岩TOC>2.0%，页理缝开始发育，且TOC含量越高、页理缝发育程度越高（图10b）.页理缝中充填的纤维状方解石和条带状有机质提供了油气水平运移的证据，显示了有机质生烃作用与页理缝形成之间的重要联系（王淼等，2015；Xu et al.， 2021）.

3.5　纹层

纹层的组合类型影响了页理缝的发育程度.页岩纹层形成的机制常见有不同水体能力的沉积事件、藻类生物勃发、沉积分异和水流搬运分异（Yawar and Schieber， 2017）.龙一段页岩由泥纹层和粉砂纹层组成，泥纹层在单偏光下通常呈暗色，其石英含量大于70%，有机质含量大于15%.粉砂纹层通常呈亮色，其碳酸盐矿物含量大于50%，石英含量大于20%，有机质含量为5%~15%.根据两类纹层的形态和厚度，可以划分为泥质均质纹层、砂泥渐变纹层、砂泥薄互层纹层3类（施振生等，2020）.泥质均质纹层中泥纹层与粉砂纹层厚度之比大于10，砂泥递变纹层中泥纹层与粉砂纹层厚度比为2~3，砂泥薄互层纹层中泥纹层与粉砂纹层厚度比小于2.1小层以泥质均质纹层为主，2小层为砂泥渐变纹层，砂泥薄互层纹层主要分布在3小层和4小层，且自下而上泥纹层含量降低.薄片统计表明，泥质均质纹层和砂泥递变纹层中页理缝发育程度较高，平均面密度分别为5.3 cm/cm²和2.65 cm/cm²，砂泥互层纹层页理缝发育程度有限，为0~ 0.3 cm/cm²（图11）.一方面，泥纹层中较高的有机质含量提供了异常高压的物质基础；另一方面，页岩纹层的变化导致了纵向上岩石力学性质的差异.由于矿物组分和颗粒粒度的变化，泥纹层和粉砂纹接触面属于岩石力学强度的薄弱面，泥质均质纹层和砂泥递变型纹层中页理缝更易发育.

4 结论

（1）泸州地区海相页岩天然裂缝按照地质成因可划分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝3大类.构造裂缝按照裂缝的力学性质和与岩石力学层关系进一步细分为穿层剪切裂缝、层内张开裂缝和顺层剪切裂缝，成岩裂缝分为收缩裂缝和页理缝.泸州地区深层海相页岩以高角度的层内张开裂缝和水平的页理缝为主，顺层剪切裂缝次之，大规模的穿层剪切裂缝较少，研究区页岩气保存条件较好.

（2）天然裂缝的发育程度受多种地质因素的控制，不同类型天然裂缝发育的控制因素不同.穿层剪切裂缝主要受到构造和页岩脆性的影响，在靠近一、二级断层附近的高脆性岩层裂缝发育程度高.层内张开裂缝主要受到构造、岩石力学层厚和页岩脆性的影响，在高脆性的薄岩石力学层中发育程度高；顺层剪切裂缝的发育程度与岩层倾角有关；页理缝在龙马溪组1小层和2小层中最发育，主要受到有机质含量、页岩脆性和纹层组合的影响，在脆性高的泥质均质纹层中发育程度高，其面密度随有机质含量的增加而增加.

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基金资助

国家自然科学基金项目(U1663203)